电力系统无功功率以及电压调整

电力系统无功功率和电压调整5.1电压调整的一般概念5.2电力系统的无功功率平衡5.3电力系统中枢点的电压管理5.4电力系统的电压调整5.5频率调整与电压调整的关系2021/5/915.1.1电压调整的必要性电压偏移过大对电力系统本身及用电设备会带来不良影响。（1）工作效率和寿命下降。白炽灯对电压变化最为敏感。5.1电压调整的一般概念2021/5/92（2）电压过高，电气设备绝缘受损，变压器、电动机铁芯饱和，铁芯损耗增大，温度升高，寿命缩短。（3）电压过低，异步电机转速下降，影响产品质量；电机电流增加，电机发热，效率降低。（4）电炉的有功功率与电压平方成正比，电压过低，增加冶炼时间，影响产量。5.1.1电压调整的必要性5.1电压调整的一般概念2021/5/935.1电压调整的一般概念系统无功功率不足，电压水平低下时，某些枢纽变电所母线电压在微小扰动下会迅速大幅度下降，产生电压崩溃，从而导致电厂之间失步，系统瓦解，大面积停电的灾难性事故。（5）系统电压降低，发电机定子电流将因其功率角的增大而增大。增大到额定值后，使发电机过热，不得不降低出力。（6）系统电压过低会使电网的电压损耗和功率损耗增加，影响系统的经济运行；过低的电压甚至严重影响电力系统的稳定性。“电压崩溃”现象2021/5/945.1.2电力系统允许的电压偏移电力系统运行中，不可能也没有必要使所有节点电压或某一节点电压都保持为额定值。（1）设备及线路压降，不可能所有节点电压都保持额定值。（2）负荷不断波动，导致压降不断变化。（3）运行方式改变（负荷变化，设备检修、故障退出，接线方式的改变等），功率分布改变，从而电压改变。5.1电压调整的一般概念2021/5/95

图5-1沿线路各点电压的变化

2021/5/965.1.2电力系统允许的电压偏移电力系统一般规定电压偏移的最大允许范围。我国规定的各类用户的允许电压偏移在正常状况下为35kV及以上电压供电负荷:±5%10kV及以下电压供电负荷:±7%低压照明负荷:+5%~-10%农村电网:+7.5%~-10%在事故情况下，允许再增加5%，但正偏移最大不能超过10%。5.1电压调整的一般概念2021/5/97第二节电力系统的无功功率平衡

电压是衡量电能质量的重要指标。电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。

2021/5/981．无功功率负荷

5.2.1无功功率负荷和无功功率损耗异步电动机图5-2异步电动机的简化等值电路

jX电压下降,转差增大,定子电流增大。2021/5/99

图5-3异步电动机的无功功率与端电压的关系

受载系数:实际负载和额定负载之比.结论：在额定电压附近，电动机的无功功率随电压的升降而增减。1．无功功率负荷

异步电动机2021/5/9102．变压器的无功损耗假定一台变压器的空载电流I0%=2.5，短路电压VS%=10.5，在额定满载下运行时，无功功率的消耗将达额定容量的13%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值是相当可观的。2021/5/9113．输电线路的无功损耗图5-4输电线路的π型等值电路

2021/5/912

线路的无功总损耗为一般情况下，35kV及以下系统消耗无功功率；110kV及以上系统，轻载或空载时，成为无功电源，传输功率较大时，消耗无功功率。3．输电线路的无功损耗2021/5/9135.2.2无功功率电源电力系统的无功功率电源有发电机、同步调相机、静电电容器及静止补偿器，后三种装置又称为无功补偿装置。1.发电机发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：2021/5/914发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的无功功率。图5-5发电机的P-Q极限

代表额定视在功率AC为半径的圆周以OC为半径的圆周1.发电机2021/5/915（1）当发电机低于额定功率因数运行时，能增加输出的无功功率，但发电机的视在功率因取决于励磁电流不超过额定值的条件，将低于其额定值。图5-5发电机的P-Q极限

代表额定视在功率AC为半径的圆周以OC为半径的圆周2021/5/916（2）当发电机高于额定功率因数运行时，励磁电流不再是限制条件，原动机的机械功率又成了限制条件。图5-5发电机的P-Q极限

代表额定视在功率AC为半径的圆周以OC为半径的圆周2021/5/917（3）发电机只有在额定电压、额定电流和额定功率因数（即运行点C）下运行时视在功率才能达到额定值，使其容量得到最充分的利用。图5-5发电机的P-Q极限

代表额定视在功率AC为半径的圆周以OC为半径的圆周2021/5/9182.同步调相机同步调相机相当于空载运行的同步电动机。(1)优点：在过励磁运行时，它向系统供给感性无功功率而起无功电源的作用，能提高系统电压；在欠励磁运行时（欠励磁最大容量只有过励磁容量的（50%～65%）)，它从系统吸取感性无功功率而起无功负荷作用，可降低系统电压。因而，它能根据装设地点电压的数值平滑改变输出（或吸取）的无功功率，进行电压调节，调节性能较好。

2021/5/919(2)缺点：同步调相机是旋转机械，运行维护比较复杂；有功功率损耗较大，在满负荷时约为额定容量的(1.5-5)%，容量越小，百分值越大；小容量的调相机每kVA容量的投资费用较大。故同步调相机宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不装设。同步调相机常安装在枢纽变电所。2.同步调相机2021/5/920静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成正比，即缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。QC=V2/XC3.静电电容器2021/5/921静止补偿器由静电电容器与电抗器并联组成。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出（或吸收）的无功功率。4.静止无功补偿器（SVC）SVC仍然和电容一样，存在当系统电压越低时反而提供感性无功功率越少的特点。2021/5/9224.静止无功补偿器（SVC）2021/5/9235.静止无功发生器（SVG）SVG的主体是一个电压源型逆变器，将电容上的直流电压转变成为与系统电压同步的三相交流电压，逆变器的交流侧通过变压器或电抗器并入系统。控制逆变器的输出电压，可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷。

2021/5/9245.静止无功发生器（SVG）SVG的优点：响应速度快，运行范围宽，谐波电流含量少，尤其重要的是，电压较低时仍可向系统注入较大的无功。2021/5/9255.2.3无功功率平衡电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。

Qres>0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；Qres<0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。2021/5/926无功不足应采取的措施

(1)执行标准：要求各类用户将负荷的功率因数提高到现行规程规定的数值。

(2)挖掘潜力：挖掘系统的无功潜力。例如将系统中暂时闲置的发电机改作调相机运行；动员用户的同步电动机过励磁运行等。

(3)无功补偿：根据无功平衡的需要，增添必要的无功补偿容量，并按无功功率就地平衡的原则进行补偿容量的分配。小容量的、分散的无功补偿可采用静电容电器；大容量的、配置在系统中枢点的无功补偿则宜采用同步调相机或静止补偿器（SVC）或静止无功发生器（SVG）。2021/5/927图5-10等值电路和相量图QGC=QLD+QL5.2.4无功功率平衡和电压水平的关系

问题：在什么样的电压水平下实现无功功率平衡？例:隐极机经过一段线路向负荷供电2021/5/928

当P为一定值时，得

5.2.4无功功率平衡和电压水平的关系2021/5/929应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡。

图5-11无功平衡与电压水平

例5－1异步电机无功发电机无功5.2.4无功功率平衡和电压水平的关系2021/5/9305.3电力系统中枢点的电压管理电压中枢点：指那些能够反映和控制整个系统电压水平的节点（母线）。

5.3.1电压中枢点的选择（1）大型发电厂的高压母线；（2）枢纽变电所的二次母线；（3）有大量地方性负荷的发电厂母线。

一般可选择下列母线作为电压中枢点：运行人员监视中枢点电压，将中枢点电压控制调整在允许的电压偏移范围内。2021/5/931图5-16电力系统的电压中枢点

例：中枢点中枢点5.3电力系统中枢点的电压管理2021/5/9325.3.2中枢点电压允许变化范围图5-17负荷电压与中枢点电压中枢点i的电压满足Vimin≤Vi≤Vimax2021/5/933中枢点i的最低电压Vimin等于在地区负荷最大时某用户允许的最低电压Vmin加上到中枢点的电压损耗△Vmax。中枢点i的最高电压Vimax等于地区负荷最小时某用户允许的最高电压Vmax加上到中枢点的电压损耗△Vmin。5.3.2中枢点电压允许变化范围2021/5/934简单电力网电压损耗例2021/5/9352021/5/936只满足i节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为2021/5/937只满足j节点负荷时，中枢点电压VO应维持的电压为同时考虑i、j两个负荷对O点的要求，可得出O点电压的变化范围。2021/5/938图5-19中枢点O电压容许变化范围(a)中枢点O到i及j变电所的电压损耗不大时的电压变化范围；(b)中枢点O到i及j变电所的电压损耗相差较大时的电压变化范围

2021/5/9395.3.3中枢点电压调整的方式

在无法精确确定中枢点电压控制范围时，可对中枢点电压调整方式提出原则性要求，以确定一个大致的电压变化范围，这种确定电压调整范围的方式成为电压调整方式。中枢点电压调整方式一般分为三类：逆调压、顺调压和常调压。(1)逆调压最大负荷时升高电压，但不超过线路额定电压的105%，即1.05VN；最小负荷时降低电压，但不低于线路的额定电压，即1.0VN。2021/5/940最大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的2.5%，即1.025VN；最小负荷时允许中枢点电压高一些，但不超过线路额定电压的7.5%，即1.075VN。(3)常调压电压保持在较线路额定电压高2%~5%的数值，即(1.02~1.05)VN，不随负荷变化来调整中枢点的电压。

(2)顺调压逆调压方式要求最高，实现较难，常调压次之，顺调压较容易实现。2021/5/9415.4电力系统的电压调整5.4.1电压调整的基本原理电力系统电压调整根据具体的调压要求，在不同地点采取不同的调压方法。2021/5/942（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压VG；（2）改变变压器的变比k1、k2；（3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△V变化；（4）改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗△V。电压调整的措施：5.4.1电压调整的基本原理2021/5/943图5-19

多级变压供电系统的电压损耗分布

根据运行情况调节励磁电流来改变机端电压（逆调压方式）进行调压的方法，适合于由孤立发电厂不经升压直接供电的小型电力网。在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助性的调压措施。5.4.2改变发电机机端电压调压15%~35%2021/5/944改变变压器的变比调压实际上就是根据调压要求选择合适的分接头。5.4.3改变变压器变比调压1．降压变压器分接头的选择

图5-20

降压变压器k=V1t/V2N2021/5/945根据V1t.av值可选择一个与它最接近的分接头。然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线上的实际电压是否满足要求。最大运方平均最小运方例5-2k=V1t/V2N1．降压变压器分接头的选择

2021/5/946

2．升压变压器分接头的选择选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同。

例5－3例5－4选择发电厂中升压变压器的分接头时，在最大和最小负荷下，要求发电机的端电压不要超过规定的允许范围，若在发电机端有地方负荷，则应满足地方负荷对发电机母线的调压要求，一般采用逆调压方式调压。2021/5/947有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在15%以上。目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7个分接头，即VN±3×2.5%；220kV级的有9个分接头即VN±4×2.0%。采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的V1tmax值和最小负荷算得的V1tmin

分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。

5.4.4有载调压变压器2021/5/948例5－55.4.4有载调压变压器2021/5/949

5.4.5加压调压变压器图5－26

加压调压变压器

1－主变压器；2－加压调压变压器3－电源变压器；4－串联变压器串联变压器4的次级绕组串联在主变压器1的引出线上，作为加压绕组。这相当于在线路上串联了一个附加电势。改变附加电势的大小和相位就可以改变线路上电压的大小和相位。2021/5/950纵向调压变压器：附加电势的相位与线路电压的相位相同；横向调压变压器：附加电势与线路电压有90°相位差的变压器；混合型调压变压器：附加电势与线路电压之间有不等于90°相位差的调压变压器。

5.4.5加压调压变压器2021/5/9511.纵向调压变压器2021/5/9522.横向调压变压器2021/5/9533.混合型调压变压器2021/5/954加压调压变压器和主变压器配合使用，相当于有载调压变压器，也可以单独接在线路上使用。加压调压变压器对于辐射形网络，可以作为调压设备。对于环形网络除起调压作用外，还可以改变网络中的功率分布。图5-29

环网中的加压调压变压器5.4.5加压调压变压器2021/5/955注意：只有当系统无功功率电源容量充足时，用改变变压器变比调压才能奏效。图5-30

简单的电力系统图

因此，当系统无功功率不足时，首先应装设无功功率补偿设备。5.4.3改变变压器变比调压2021/5/9565.4.6无功功率补偿调压

供电点电压V1和负荷功率Ｐ+jQ已给定，线路电容和变压器的励磁功率略去不计。且不计电压降落的横分量。

图5-31

简单电力网的无功功率补偿讨论按调压要求选择无功功率补偿容量的问题。在V2电压要求已知的情况下，求无功补偿容量。2021/5/957补偿前补偿后如果补偿前后V1保持不变，则有归算到高压侧的变电所低压侧电压5.4.6无功功率补偿调压

2021/5/958由上式可解得

忽略第二项调压要求5.4.6无功功率补偿调压

2021/5/959由此可见:补偿容量与调压要求和降压变压器的变比选择均有关。变比k的选择原则：在满足调压的要求下，使无功补偿容量为最小。无功补偿设备的性能不同，选择变比的条件也不相同。5.4.6无功功率补偿调压

2021/5/960

1.补偿设备为静电电容器

为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小荷时全部退出，步骤如下：（1）根据调压要求，按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器的分接头。

于是(据此选择分接头V1t)（确定变比）实际运行电压2021/5/961（2）按最大负荷时的调压要求计算补偿容量（3）根据算得的补偿容量，从产品目录中选择合适的设备。（4）根据确定的变比和选定的静电电容器容量，校验实际的电压变化。1.补偿设备为静电电容器2021/5/962首先确定变比k2.补偿设备为同步调相机

最大负荷时，同步调相机容量为：

最小负荷时调相机容量应为：两式相除，得：

2021/5/963由此可解出：

确定实际变比

据此确定分接头电压V1t2.补偿设备为同步调相机

2021/5/964在高压电力网中，电抗远大于电阻，中无功功率引起的QX/V分量就占很大的比重。在这种情况下，减少输送无功功率可以产生比较显著的调压效果。反之，对截面不大的架空线路和所有电缆线路，用这种方法调压就不合适。特别注意例5-65.4.6无功功率补偿调压

2021/5/9655.4.7改变输电线路参数调压未加串联电容前串联了容抗XC后

线路串联电容补偿调压2021/5/966

因此，根据线路末端电压需要提高的数值（ΔV-Vc），就可求得需要补偿的电容器的容抗值XC。如何由电容器得到容抗值XC呢

代表了线路末端电压的升高值，也就是调压效果。5.4.7改变输电线路参数调压2021/5/967

如果每台电容器的额定电流为INC，额定电压为VNC，额定容量为QNC=VNCINC，则可根据通过的最大负荷电流Icmax和所需的容抗值XC分别计算电容器串、并联的台数n，m以及三相电容器的总容量QC。

确定线路上串联接入的电容器的个数，并联的组数：5.4.7改变输电线路参数调压2021/5/968三相总共需要的电容器台数为3mn。安装时，全部电容器串、并联后装在绝缘平台上。

nVNC≥ICmaxXCmINC≥ICmax5.4.7改变输电线路参数调压2021/5/969图5-38串联电容补偿前后的沿线电压分布（a）负荷集中在线路末端（b）沿线路有若干个负荷电容器安装地点的选择原则：使沿线电压尽可能均匀，且负荷点电压都在允许范围内。5.4.7改变输电线路参数调压2021/5/970串联电容器提升的末端电压的数值QXC/V(即调压效果)随无功负荷增大而增大、无功负荷的减小而减小，恰与调压的要求一致。这是串联电容器调压的一个显著优点。（注意与并联电容器补偿的区别）但对负荷功率因数高(cosφ>0.95)或导线截面小的线路，由于PR/V分量的比重大，串联补偿的调压效果就很小。

5.4.7改变输电线路参数调压2021/5/971补偿度：补偿所需的容抗值XC和被补偿线路原来的感抗值XL之比。在配电网络中以调压为目的的串联电容补偿，其补偿度常接近于1或大于1。kc=XC/XL5.4.7改变输电线路